(57)【要約】【課題】トルクの脈動を抑えつつトルク質量比を大きくする永久磁石回転電機を提供する。【解決手段】電機子巻線を有する固定子と、前記固定子に対し回転可能に支持され、回転軸から周方向にハルバッハ配列された外側永久磁石列と内側永久磁石列とを有し、前記外側永久磁石列と前記内側永久磁石列の間に前記電機子巻線が周方向に配置されるとともに、前記外側永久磁石の磁極の向きと前記内側永久磁石の磁極の向きとが、径方向の磁極の向きは同一方向、周方向の磁極向きは逆方向を向いている回転子と、を有する永久磁石回転電機において、前記外側永久磁石列の径方向断面のエネルギー積と前記内側永久磁石列の径方向断面のエネルギー積とが同じであり、前記外側永久磁石列と前記内側永久磁石列の前記回転軸方向の長さが同じである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電機子巻線を有する固定子と、
前記固定子に対し回転可能に支持され、回転軸から周方向にハルバッハ配列された外側永久磁石列と内側永久磁石列とを有し、前記外側永久磁石列と前記内側永久磁石列の間に前記電機子巻線が周方向に配置されるとともに、前記外側永久磁石の磁極の向きと前記内側永久磁石の磁極の向きとが、径方向の磁極の向きは同一方向で、周方向の磁極の向きは逆方向を向いている回転子と、
を有する永久磁石回転電機において、
前記外側永久磁石列の径方向断面のエネルギー積と前記内側永久磁石列の径方向断面のエネルギー積とが同じであり、前記外側永久磁石列と前記内側永久磁石列の前記回転軸方向の長さが同じであることを特徴とする永久磁石回転電機。
【請求項２】
前記外側永久磁石列と前記内側永久磁石列の前記回転軸方向の長さは前記外側永久磁石列の外径の１／２倍から５倍のであることを特徴とする請求項１記載の永久磁石回転電機。
【請求項３】
前記外側永久磁石列および前記内側永久磁石列における前記径方向の磁極の数と、前記電機子巻線で構成される相の数の比が４：３であることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の永久磁石回転電機。
【請求項４】
前記電機子巻線は、コイルボビンを有さず、平角線材で巻線を形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の永久磁石回転電機。
【請求項５】
前記電機子巻線は前記固定子に設けられたプリント基板上に配置され、前記プリント基板上のパターンによって前記電機子巻線同士が結線されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の永久磁石回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子巻線を有する固定子に対し回転可能に支持された回転子にハルバッハ配列された永久磁石を有する永久磁石回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石をハルバッハ配列した永久磁石回転電機は、径方向にＮ極とＳ極を交互に配置した主磁極磁石と、この主磁極磁石の周方向両面に径方向以外（例えば周方向）に着磁された補助磁石を備えたものである（例えば、特許文献１、２参照）。永久磁石をハルバッハ配列した永久磁石回転電機の主磁極磁石と補助磁石とは、全体で略円筒状をなしており、永久磁石をハルバッハ配列にすると、特定の方向の磁力を強めることができる。このハルバッハ配列された永久磁石を有する回転電機は、大きくすることなく高出力化を図ることが可能になる。
【０００３】
従来のハルバッハ配列した永久磁石列を有する回転電機では、ヨーク鉄心に電機子巻線が巻かれており、永久磁石、電機子巻線、ヨーク鉄心の間に磁束が形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３２０１０９号公報（第１図）
【特許文献２】特開２００４−３５０４２７号公報（第１乃至２図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１および特許文献２に記載の回転電機は、固定子や回転子に鉄心を用いているため、トルクの脈動が大きくなる。また、特許文献１および特許文献２に記載の回転電機は、固定子や回転子に鉄心を用いているため、鉄心の磁気飽和が発生し、強力な磁場を発生する磁石を用いてもトルクの向上には限界がある。
【０００６】
この発明の目的は、トルクの脈動を抑えつつ、トルク質量比を大きくする永久磁石回転電機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の永久磁石回転電機は、電機子巻線を有する固定子と、前記固定子に対し回転可能に支持され、回転軸から周方向にハルバッハ配列された外側永久磁石列と内側永久磁石列とを有し、前記外側永久磁石列と前記内側永久磁石列の間に前記電機子巻線が周方向に配置されるとともに、前記外側永久磁石の磁極の向きと前記内側永久磁石の磁極の向きとが、径方向の磁極の向きは同一方向で、周方向の磁極向きは逆方向を向いている回転子とを有し、前記外側永久磁石列の径方向断面のエネルギー積と前記内側永久磁石列の径方向断面のエネルギー積とが同じであり、前記外側永久磁石列と前記内側永久磁石列の前記回転軸方向の長さが同じである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、トルクの脈動を抑えつつ、トルク質量比を大きくする永久磁石回転電機を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る永久磁石回転電機の回転軸方向断面図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る固定子の斜視図。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る永久磁石回転電機の径方向断面図。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る永久磁石回転電機の磁力線分布の一例を示す磁力線分布図。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る永久磁石回転電機の回転軸方向断面図。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る永久磁石回転電機の他の例を示す回転軸方向断面図。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る永久磁石回転電機の特性を示すグラフ。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る永久磁石回転電機の径方向断面図。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る永久磁石回転電機におけるトルク脈動率を示すグラフ。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る永久磁石回転電機の他の例を示す径方向断面図。
【図１１】本発明の第４の実施形態に係る永久磁石回転電機の回転軸方向断面図。
【図１２】本発明の第４の実施形態に係る永久磁石回転電機の他の例を示す回転軸方向断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は第１の実施形態に係る永久磁石回転電機１の軸方向断面図である。永久磁石回転電機１は、固定子６に電機子巻線４及びシャフト７が形成され、回転子５に永久磁石列（外側）２、永久磁石列（内側）３及び軸受９が形成されて構成される。
【００１１】
ここで、図２は、電機子巻線４及びとシャフト７が形成された固定子６の斜視図である。固定子６には、中心にシャフト７が形成されている。電機子巻線４は、例えば三相交流を用いる場合、Ｕ相−Ｖ相−Ｗ相の順に巻かれている。電機子巻線４は、集中巻きの巻線で形成されている。電機子巻線４は、ボビン４１に巻線を巻いたコイル４２により形成されている。そして、電機子巻線４は、回転軸であるシャフト７を中心として周方向に複数配置されている。Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相がそれぞれ隣り合う複数の電機子巻線４によって構成されている場合、各相を構成する電機子巻線４同士はコイル渡り線８で接続されている。
【００１２】
固定子６と回転子５との間には、軸受９が配置されており、回転子５は固定子６上で回転する構造になっている。回転子５にはハルバッハ配列で構成された略円筒形状の２列の永久磁石列（外側）２および永久磁石列（内側）３が回転軸から周方向に配置されている。
【００１３】
回転子５は、固定子６に対向する側に凸部を２列有する。回転子５には、回転子５の外側の凸部に永久磁石列（外側）２の永久磁石１６が例えば接着等により取り付けられている。さらに、回転子５には、回転子５の内側の凸部に永久磁石列（内側）３の永久磁石１６が取付けられている。回転子５は、永久磁石列（外側）２および永久磁石列（内側）３の間に電機子巻線４を配置するように構成されている。
【００１４】
図３は、第１の実施形態に係る永久磁石回転電機１の径方向断面図である。回転子５に取り付けられた永久磁石列（外側）２および永久磁石列（内側）３は、図３に示す矢印は、磁極向きを示している。電機子巻線４は、Ｕ相−Ｖ相−Ｗ相の順で周方向に巻かれている。Ｕ相巻線１０、Ｖ相巻線１１、Ｗ相巻線１２は、それぞれ隣り合う２つの電機子巻線４で構成されている。
【００１５】
永久磁石列（外側）２は、磁極方向が径方向に交互となるように径方向に着磁された永久磁石１６を周方向に沿って一つ置きに配置している。さらに、永久磁石列（外側）２は、磁極方向が周方向に交互となるように周方向に着磁された永久磁石１６を周方向に沿って一つ置きに配置している。つまり、永久磁石列（外側）２は、周方向に４つの異なる方向に着磁された永久磁石１６を等周期で配置している。永久磁石列（内側）３は、永久磁石列（外側）２における永久磁石１６の配置の順番と同様である。径方向に着磁された永久磁石１６については、永久磁石列（外側）２の磁極と永久磁石列（内側）３の磁極が同一方向になるように構成する。径方向に着磁された永久磁石１６の間に配置されている周方向に着磁された永久磁石１６については、永久磁石列（外側）２の磁極と永久磁石列（内側）３の磁極とが反対方向になるように構成する。
【００１６】
次に、図４は第１の実施形態に係る永久磁石回転電機１の磁力線分布の一例を示す磁力線分布図である。永久磁石列（外側）２および永久磁石列（内側）３の磁束が電機子巻線４を鎖交する。電機子巻線４に例えば三相交流を流すことで回転子５が回転する。
【００１７】
図４に示すように、径方向に着磁された永久磁石１６に多くの磁束が発生していることが分かる。つまり、磁束が電機子巻線４に鎖交することにより、永久磁石回転電機１は、大きなトルクを得ることが可能になる。周方向に着磁された永久磁石１６の磁束は、永久磁石列（外側）２と永久磁石列（内側）３とでは反対の向きになり、互いの磁束をキャンセルする働きをする。
【００１８】
次に、第１の実施形態である永久磁石回転電機１を構成する永久磁石列（外側）２と永久磁石列（内側）３の形状について説明する。径方向に対向する永久磁石列（外側）２の永久磁石１６と永久磁石列（内側）３の永久磁石１６は、永久磁石列（外側）２の永久磁石１６の径方向断面のエネルギー積と永久磁石列（外側）３の永久磁石１６の径方向断面のエネルギー積が等しくなるように配置されている。
【００１９】
径方向に対向する永久磁石列（外側）２を構成する永久磁石１６と永久磁石列（内側）３を構成する永久磁石１６の材料特性が同一であれば、永久磁石列（外側）２を構成する永久磁石１６と永久磁石列（内側）３を構成する永久磁石１６の断面積は等しくなる。
【００２０】
さらに、図１に示すように、径方向に対向する永久磁石列（外側）２の永久磁石１６と永久磁石列（内側）３の永久磁石１６とのシャフト７の回転軸方向の長さ（回転子５における永久磁石１６が接合された面から回転軸方向の長さ）は等しい。径方向に対向する永久磁石列（外側）２を構成する永久磁石１６と永久磁石列（内側）３を構成する永久磁石１６の材料特性が同一であれば、永久磁石列（外側）２を構成する永久磁石１６と永久磁石列（内側）３を構成する永久磁石１６の体積は等しくなる。
【００２１】
以上のように、径方向に対向する永久磁石列（外側）２を構成する永久磁石１６と永久磁石列（内側）３を構成する永久磁石１６は、径方向断面のエネルギー積が等しく、回転軸方向の長さが等しくなるように配置されている。
【００２２】
このような配置とすることで、永久磁石列（外側）２と永久磁石列（内側）３に生じる起磁力は等しくなる。したがって、永久磁石列（外側）２の径方向の外側に漏れる磁束と永久磁石列（内側）３の径方向の内側に漏れる磁束は減少する。永久磁石列（外側）２と永久磁石列（内側）３との間の磁束密度は、径方向断面のエネルギー積および回転軸方向の長さを異ならせた場合に比べて最大となる。結果として、永久磁石回転電機１により発生するトルクも最大となる。
【００２３】
次に、第２の実施形態について説明する。図５は第２の実施形態に係る永久磁石回転電機１の回転軸方向断面図である。図６は、第２の実施形態に係る永久磁石回転電機１の他の例を示す回転軸方向断面図である。第１の実施形態と同一符号箇所については説明を省略する。第２の実施形態は、第１の実施形態で説明した永久磁石列（外側）２およびと永久磁石列（内側）３の形状と同様である。
【００２４】
図５および図６に示す永久磁石回転電機１は、永久磁石列（外側）２の永久磁石１６における体積のエネルギー積と永久磁石列（内側）３の永久磁石１６における体積のエネルギー積（永久磁石列（外側）２および永久磁石列（内側）３を構成する永久磁石１６の材料特性が同一であれば体積）を一定とし、永久磁石列（外側）２の内径と永久磁石列（内側）３の外径を固定し、回転軸方向の長さを変更した場合の例である。ここでは、永久磁石列（外側）２および永久磁石列（内側）３を構成する永久磁石１６の体積が等しい場合について説明する。
【００２５】
永久磁石列（外側）２および永久磁石列（内側）３を回転軸方向に長くした場合、体積および永久磁石列（外側）２の内径と永久磁石列（内側）３の外径は変わらないので、永久磁石列（外側）２の外径は小さくなり、永久磁石列（内側）３の内径は大きくなる。
【００２６】
これとは逆に、永久磁石列（外側）２および永久磁石列（内側）３を回転軸方向に短くした場合、体積および永久磁石列（外側）２の内径と永久磁石列（内側）３の外径は変わらないので、永久磁石列（外側）２の外径は大きくなり、永久磁石列（内側）３の内径は小さくなる。
【００２７】
ここで、図５および図６に示すように、永久磁石列（外側）２の外径をａ、永久磁石列（外側）２および永久磁石列（内側）３に回転軸方向の長さをｂとする。図７は、永久磁石回転電機１を構成する永久磁石列（外側）２および永久磁石列（内側）３のうち径方向を向いた磁極の数を一定とし、回転軸方向の長さおよびこれに付随する永久磁石列（外側）２の外径を変えた場合に、永久磁石回転電機１で発生するトルクに対する質量の比（トルク質量比）を測定したグラフである。横軸は、永久磁石列（外側）２の外径ａに対する回転軸方向の長さｂの割合（％）、縦軸は、最大トルク質量比に対する割合（％）である。
【００２８】
図５のグラフに示すように、永久磁石列（外側）２および永久磁石列（内側）３の回転軸方向の長さを変えた場合、トルク質量比が最大となる点が存在する。永久磁石列（外側）２の回転軸方向の長さｂが外径ａの１／２から５倍までの範囲であれば、永久磁石回転電機１のトルク質量比を大きく取ることができる。
【００２９】
永久磁石列（外側）２の回転軸方向の長さｂが外径ａの１／２倍より小さくなると、永久磁石回転電機１のトルク質量比が急激に減少する。永久磁石列（外側）２の回転軸方向の長さｂが外径ａの５倍より大きくなると、永久磁石回転電機１のトルク質量比が減少する。
【００３０】
したがって、上記条件に合致する範囲で永久磁石列（外側）２および永久磁石列（内側）３を永久磁石回転電機１に配置することによって、永久磁石回転電機１は高トルク化を実現できる。永久磁石列（外側）２の回転軸方向の長さｂは、外径ａの１／２から５倍までと幅広くとることができるので、永久磁石回転電機１は、回転軸方向に長く径方向に細い形状、回転軸方向に薄く径方向に太い形状など用途に合わせて変更できる。
【００３１】
図８は、第３の実施形態に係る永久磁石回転電機１の径方向断面図である。図１０は、第３の実施形態に係る永久磁石回転電機１の他の例を示す径方向断面図である。第１の実施形態と同一符号箇所については説明を省略する。第３の実施形態は、第１の実施形態または第２の実施形態で説明した永久磁石列（外側）２およびと永久磁石列（内側）３の形状と同様である。
【００３２】
図８に示すように、永久磁石回転電機１には、電機子巻線４が６個配置されている。永久磁石回転電機１には、それぞれ隣り合う２つの電機子巻線４を１組として構成されたＵ相巻線１０、Ｖ相巻線１１、Ｗ相巻線１２が１組ずつ、計３組配置されている。永久磁石列（外側）２および永久磁石列（内側）３の径方向を向いた磁極の数は、４である。
【００３３】
ここで図９は、永久磁石列（外側）２および永久磁石列（内側）３の径方向の磁極の数とＵ相、Ｖ相、Ｗ相を構成する巻線の合計組数（スロット数）を変えて測定した結果を示したグラフである。横軸は、永久磁石列（外側）２の外径ａに対する回転軸方向の長さｂの比率である。縦軸は、永久磁石回転電機１におけるトルク脈動率（％）である。
【００３４】
図９には、永久磁石列（外側）２および永久磁石列（内側）３の径方向の磁極の数とＵ相、Ｖ相、Ｗ相を構成する巻線の合計組数（スロット数）の比を図８に示すように４：３とした場合と比較例として２：３とした場合を示している。例えば、グラフ中の２Ｐ３Ｓは、径方向の磁極の数が２極、スロット数が２スロットを意味している。径方向の磁極の数とスロット数の比が２：３である場合として、２Ｐ３Ｓ、４Ｐ６Ｓ、８Ｐ１２Ｓ、・・・、３２Ｐ４８Ｓについて測定している。径方向の磁極の数とスロット数の比が４：３である場合として、４Ｐ３Ｓ、８Ｐ６Ｓ、１２Ｐ９Ｓ、・・・、３２Ｐ２４Ｓについて測定している。
【００３５】
径方向の磁極の数とスロット数の比が２：３の場合と４対３の場合とで、永久磁石列（外側）２の外径ａに対する回転軸方向の長さｂの比率が同じとき、径方向の磁極の数とスロット数の比が４：３の場合は、２：３の場合に比べてトルク脈動が小さいことが分かる。
【００３６】
したがって、図８に示すように径方向の磁極の数とスロット数の比を４：３とした場合、他の比率とした場合（図９の例では４Ｐ６Ｓ）に比べて永久磁石回転電機１で発生するトルク脈動を抑えられる。
【００３７】
図１０に示す例も同様である。永久磁石回転電機１には、電機子巻線４が４８個配置されている。永久磁石回転電機１には、それぞれ隣り合う２つの電機子巻線４を１組として構成されたＵ相巻線１０、Ｖ相巻線１１、Ｗ相巻線１２が８組ずつ、計２４組配置されている。永久磁石列（外側）２および永久磁石列（内側）３の径方向の磁極の数は、３２である。径方向の磁極の数とスロット数の比は４：３である。このような径方向の磁極の数とスロット数で永久磁石回転電機１を構成することで、他の比率となるように構成した場合（図９の例では３２Ｐ４８Ｓ）に比べてトルク脈動を抑えられる。
【００３８】
図１１は、第４の実施形態に係る永久磁石回転電機１の回転軸方向断面図である。第１の実施形態と同一符号箇所については説明を省略する。第４の実施形態は、第１の実施形態から第３の実施形態で説明した永久磁石列（外側）２および永久磁石列（内側）３の形状と同様である。
【００３９】
第４の実施形態では電機子巻線４はボビン４１を有さない。電機子巻線４は、平角線材で巻いたコイル４２のみにより形成されている。平角線材としては銅線を用いている。電機子巻線４が平角線材で形成されているため、素線断面積は大きくなる。したがって、電機子巻線４による発熱を抑えることができる。電機子巻線４は、平角線材で形成されているため、ボビン４１なしで容易に形成できる。したがって、電機子巻線４は、永久磁石列（外側）２と永久磁石列（内側）３の間の空間を線材によって最大限利用して、発生させるトルク（起電力）の向上を図ることができる。以上のように、永久磁石回転電機１は、大きなトルクを発生できるとともに電機子巻線４による発熱量を抑えることができる。
【００４０】
図１２は、第４の実施形態に係る永久磁石回転電機１の他の例を示す回転軸方向断面図である。固定子６には、プリント基板１４が周方向に配置されている。電機子巻線４は、プリント基板１４上に配置されている。図３に示すように、Ｕ相巻線１０、Ｖ相巻線１１、Ｗ相巻線１２がそれぞれ隣り合う２つの電機子巻線４で構成されている場合、プリント基板１４上の結線パターンによって電機子巻線４同士は結線される。第４の実施形態では、プリント基板１４上に予め電機子巻線４の結線パターンを設けておき、プリント基板１４上に電機子巻線４を配置することで、第１の実施形態で用いた図１に示すコイル渡し線８を省略することができる。
【００４１】
コイル渡り線８は、回転子５と電機子巻線４の回転軸方向の間であって、電機子巻線４の上側に配置しなければならない。そのため、第１の実施形態の永久磁石回転電機１では、コイル渡り線８を通すための空間が回転子５と電機子巻線４の間に必要であった。永久磁石回転電機１にプリント基板１４を配置することで、コイル渡し線８を省略できるため、永久磁石回転電機１は小型化を図れる。
【００４２】
上記第１の実施形態から第４の実施形態によれば、永久磁石回転電機１の小型化、軽量化、高トルク化を実現できる。第１の実施形態から第４の実施形態を適宜組み合わせるとより効果的である。
【符号の説明】
【００４３】
１…永久磁石回転電機、２…永久磁石列（外側）、３…永久磁石列（内側）、４…電機子巻線、５…回転子、６…固定子、７…シャフト、８…コイル渡り線、９…軸受、１４…プリント基板、１６…永久磁石、４１…ボビン、４２…コイル。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2010284035.tif 000011
【図１０】
2010284035.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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